Accurate analysis of major components and trace level impurities in cathode active materials used in lithium ion battery production

Význam tématu

Analýza složení a stopových kontaminantů v katodických aktivních materiálech pro lithiové iontové baterie je kritická pro jejich výkon, životnost a bezpečnost. Přesné stanovení hlavních kovů (Li, Ni, Mn, Co) a přítomnost nežádoucích prvků na úrovních sub-µg·L-1 zajišťuje konzistentní kvalitu materiálů používaných v automobilovém průmyslu, spotřební elektronice i velkokapacitních úložištích. Metodiky, které umožňují spolehlivé měření v roztocích s vysokým obsahem rozpuštěných látek, zvyšují efektivitu laboratoře a snižují provozní náklady spojené s údržbou přístrojů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem application note bylo demonstrovat robustní, citlivou a přesnou analýzu hlavních složek a kritických elementárních nečistot v kyselinou rozpuštěných vzorcích katodických materiálů (NMC 111 a NMC 811) pomocí triple quadrupole ICP-MS (TQ-ICP-MS). Studie se zaměřila na potlačení maticových vlivů a polyatomových interferencí a na umožnění přímé automatizované analýzy koncentrovaných vzorků pomocí argonové plynové diluce (AGD).

Použitá metodika a instrumentace

Použitá instrumentace a hlavní parametry:

• Přístroj: Thermo Scientific iCAP MTX TQ-ICP-MS s iSC-65 autosamplerem.
• Nebulizér: iCAP MX series; komora: cyklonická křemenná; injector 2,5 mm; quartz hořák.
• Parametry provozu: RF výkon 1550 W, chladicí plyn 14 L·min-1, pomocný plyn 0.8 L·min-1, nebulizační tok ~0.497 L·min-1, vzorkovací hloubka 8 mm.
• QCell: reaktivní plyn čistý kyslík 0.26 mL·min-1 (TQ-O2 režim), biasy QCell -8.1 V a Q3 -12 V.
• Argon Gas Dilution (AGD) nastaveno na úroveň 5 pro přímou analýzu vzorků s vysokým TDS bez ručních dilucí.

Metodika přípravy vzorků a standardů:

• Vzorky: ~0.1 g materiálu, rozpuštěno v aqua regia pomocí mikrovlnné digesce (ramp do 230 °C za 20 min, 25 min udržení), následné gravimetrické ředění do 100 mL v 2% HNO3.
• Kalibrace: osmistupňová pro hlavní prvky (Li, Ni, Co, Mn) a víceúrovňová pro stopové prvky (B, Mg, Al,..., Pb) s QC vzorkem měřeným každých 10 vzorků.
• Interní standardy: Sc, Rh, Tb, Tl aplikovány on-line pro kontrolu potlačení matice a stability signálu.

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní výsledky přehledně:

• Hlavní komponenty: pro NMC 111 byly naměřené koncentrace % velmi blízké certifikovaným hodnotám (Li 7.8% vs 7.6%; Mn 16.3% vs 16.0%; Co 20.1% vs 20.3%; Ni 20.8% vs 20.2%) s recoveriemi ~99–103%.
• Pro NMC 811 byly naměřené hodnoty rovněž v souladu s certifikáty s výjimkou vyšší variability u Mn (měřeno 3.7% vs cert. 2.9%, recovery 127%), ostatní prvky jako Ni a Co byly v mezích certifikovaných hodnot.
• Stopové nečistoty: hodnoty Fe, Cu, Na, Zn, S, Mg, Cr apod. byly měřeny v mg·L-1 a ležely pod deklarovanými limity materiálů; například S v NMC111 1130 mg·L-1 (<2300), Na 121.5 mg·L-1 (<350).
• Detekční limity (IDL): většina analyzovaných prvků dosahovala IDL v rozsahu nízkých desetin až jednotek µg·L-1, u některých prvků pod 0.1 µg·L-1, což umožňuje spolehlivé stanovení stopových kontaminantů.
• Přesnost a přesnost: spike recovery studie ukázaly průměrnou přesnost 80–120% a relativní standardní odchylky <5%. Interní standardy vykazovaly stabilní signály v průběhu vícero hodin (odpověď v rozsahu 80–120% a ±10% vůči kalibračnímu blanku).
• Interferenční řešení: použití TQ-O2 režimu (kyslík) efektivně odstranilo polyatomové interference, včetně interferencí ovlivňujících As (odstranění 59Co16O+) a síru.

Diskuse: Kombinace AGD a TQ-ICP-MS významně omezuje potřebu ručního ředění i časté údržby, zlepšuje průtok práce a minimalizuje vliv vysokého TDS na stabilitu signálu a opotřebení rozhraní přístroje.

Přínosy a praktické využití metody

• Umožňuje přímou automatizovanou analýzu kyselinou digesovaných katodových materiálů bez předchozí manuální ředění, což šetří pracovní čas a snižuje chyby při ředění.
• Vysoká citlivost a selektivita díky TQ režimu s O2 zajišťuje spolehlivé stanovení i u silně interferovaných prvků (S, As, Se apod.).
• Stabilní interní standardy a QC procedury zaručují dlouhodobou robustnost výsledků vhodnou pro výrobní kontrolu a výzkum materiálů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Širší zavedení AGD v rutinních analýzách umožní lépe zvládat vzorky s vysokým TDS napříč průmyslovými odvětvími (baterie, katalyzátory, geochemie).
• Rozvoj reaktivních plynů a optimalizace TQ režimů povedou k dalšímu zlepšení odstranění interferencí pro náročné matice a vzácné prvky.
• Integrace automatizované přípravy vzorků a pokročilých QC algoritmů (software) podpoří vyšší propustnost a plně auditovatelné workflow ve výrobních laboratořích baterií.

Závěr

Studie prokázala, že kombinace iCAP MTX TQ-ICP-MS, reaktivního kyslíku v QCell a argonové plynové diluce poskytuje citlivé, přesné a robustní řešení pro analýzu hlavních složek a stopových nečistot v digesovaných katodových materiálech. Metoda snižuje údržbu, minimalizuje ruční zásahy a splňuje požadavky na přesnost potřebné v průmyslové kontrole kvality a výzkumu bateriových materiálů.

Reference

Thermo Fisher Scientific. Application note AN003968: Accurate analysis of major components and trace level impurities in cathode active materials used in lithium ion battery production. 2025.